что такое коэффициент связи сдвоенного реактора

Конструкции сдвоенных реакторов

Для уменьшения потерь напряжения и сокращения объема зданий распределительного устройства применяются сдвоенные реакторы. Сдвоенный реакторпредставляет собой два согласно включенных реактора с сильной магнитной связью. Реакторы расположены один над другим. Схема включения сдвоенных реакторов приведена на рис. 4.

При обычных реакторах, каждая отходящая линия имеет свой реактор, рассчитанный на номинальный ток линии. Каждая трехфазная группа реакторов размещается в специальной ячейке распредустройства.

В сдвоенных реакторах, рис. 4.а), реакторы соседних ветвей сближены так, что между ними существует сильная магнитная связь. Совмещение в одном реакторе двух уменьшает габариты аппарата, упрощает и удешевляет распредустройство.

В номинальном режиме магнитные поля реакторов направлены встречно и оказывают размагничивающее действие. В результате индуктивное сопротивление ветви падает. Соответственно уменьшается падение напряжения на реакторе. Падение напряжения на ветви реактора AU_B при номинальном токе

Коэффициент связи является одним из основных параметров сдвоенного реактора и зависит от расстояния между ветвями. Чем ближе ветви друг к другу, тем больше К. Обычно в реакторах К колеблется в пределах 0,4-0,6. С увеличением К возрастают электродинамические силы, стремящиеся оторвать одну ветвь от другой. В номинальном режиме сопротивление ветви реактора уменьшается на 40-60 %, что повышает качество электроэнергии (уменьшаются потери напряжения).

Исследования показали, что бетонные сдвоенные реакторы без применения специальных мер подвержены разрушению при одновременном КЗ в обеих ветвях. Увеличение электродинамической стойкости достигается в сборной конструкции. На рис. 5.а) показана в разрезе левая половина такого реактора. Стяжка реактора осуществляется с помощью металлических стержней 1 и стержней 2 из изоляционного материала. Катушка реактора уложена на изоляционных прокладках 3.

Наибольшая отталкивающая сила действует на витки рядов 4 и 5, расположенные близко друг к другу. Для получения необходимой электродинамической стойкости близлежащие ряды ветвей реактора бандажируются стеклянной лентой, как это показано на рис. 5.в).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначение реактора.

2. Перечислите физические явления, которые ярко выражены в реакторе, и меры, предпринятые для снижения их отрицательного влияния на конструкцию бетонного и масляного реактора.

З.В чем заключаются достоинства масляного реактора.

4.В чем заключаются достоинства сдвоенного реактора.

5.Привести схемы включения одинарных и сдвоенных реакторов.

2. ОГРАНИЧЕНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

2.1. Изоляция аппаратов высокого напряжения

2.1.1. Классы номинальных напряжений.

Одним из основных требований к аппаратам высокого напряжения (АВН) является надежная работа при напряжениях, достигающих многих сотен киловольт. Поэтому вопрос электрической прочности изоляции является одним из важнейших.

Для электрооборудования высокого напряжения переменного тока в России установлена шкала номинальных напряжений от 3 до 1150 кВ.

В соответствии с классом напряжения проектируются изоляционные конструкции, которые содержат внешнюю изоляцию, где изолирующей средой является атмосферный воздух, и внутреннюю, где изолирующей средой является газообразный, жидкий или твердый диэлектрик, а также вакуум.

Первыевозникают при коммутации электрических цепей (катушек индуктивности, конденсаторов, длинных линий). Они характеризуются относительно низкой частотой воздействующего напряжения (до 1000 Гц) и длительностью до 1 с. Электрическая прочность внутренней изоляции при пробое нарушается, как правило, необратимо. Вторыевозникают при воздействии атмосферного электричества, имеют импульсный характер воздействующих напряжений и малую длительность (десятки микросекунд). Электрическая прочность внешней изоляции после пробоя или перекрытия и быстрого отключения источника напряжения может восстановиться до исходного уровня. Поэтому изоляция и изоляционная конструкция рассчитываются и проектируются так, чтобы при повышении напряжения более вероятным было нарушение внешней изоляции, а не внутренней.

Изоляционная конструкция в процессе эксплуатации должна выдерживать длительное (десятки лет) воздействие наибольшего рабочего напряжения, а также кратковременные (от единиц до тысяч микросекунд) многократные воздействия возникающих в сети атмосферных (грозовых) и внутренних (коммутационных) перенапряжений. Габаритные размеры оборудования при этом получаются чрезмерно большими, так как перенапряжения могут быть в 6-8 раз больше номинального напряжения. С целью облегчения изоляции возникающие перенапряжения ограничивают с помощью разрядников и изоляцию оборудования выбирают по этому ограниченному значению перенапряжения.

Источник

Кузьмиченок Олеся Александровна

Электротехнический факультет

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий и городов»

Специальность Электротехнические системы электропотребления

Эффективность применения сдвоенных реакторов в условиях электромагнитной совместимости

Научный руководитель: д.т.н., проф. Куренный Эдуард Григорьевич

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Реактирование в электрических сетях применяется для уменьшения токов короткого замыкания, но в нормальном режиме на реактирование создается потеря напряжения, что ухудшает электромагнитную совместимость (ЭМС). В литературе указывается, что сдвоенные реакторы улучшают ЭМС, поэтому задача оценки эффективности сдвоенного реактора (СР) является актуальной для практики.

В работе научного руководителя было установлено, что в некоторых случаях СР не уменьшает, а увеличивает диапазон изменения действующих значений потерь напряжения. Однако в этой работе не рассматривались высшие гармоники и несимметрия. Оценка эффективности СР при этих видах помехи является актуальной для науки.

В связи с этим необходимо решить следующие задачи:

Полученные данные будут использоваться в учебном процессе. Результаты могут представить интерес для предприятий с дуговыми сталеплавильными печами, тиристорными преобразователями и другими источниками помех ЭМС.

1. Реактирование в системах электроснабжения

1.1 Назначение реакторов

Реакторы предназначены для ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях и сохранения определенного уровня напряжения в электроустановках в случае короткого замыкания в энергосистемах с частотой 50 и 60 Гц. Реакторы применяются в схемах электрических станций и подстанций с электрическими параметрами в соответствии с паспортными данными [1]. Применение реакторов дает возможность ограничить номинальный ток отключения линейных выключателей и обеспечить термическую стойкость отходящих кабелей. Благодаря реактору все неповрежденные линии находятся под напряжением, близким к номинальному (реактор поддерживает напряжение на сборных шинах), что повышает надежность работы электроустановок и облегчает условия работы электрооборудования.

1.2 Виды реактирования

Возможно индивидуальное (рис.1.1), групповое реактирование (рис.1.2), а также применение сдвоенного реактора (рис.1.3).

Рисунок 1.1 – Индивидуальное реактирование (ИР)

Рисунок 1.2 – Групповое реактирование (ГР)

Рисунок 1.3 – Сдвоенный реактор (СР)
(анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 10,5 килобайт)

Реактор – это катушка без сердечника. В нормальном режиме сопротивление x_p с сердечником – большое, большие потери напряжения. При коротком замыкании из-за насыщения сопротивление падает, т.е. ток короткого замыкания плохо ограничивается и может увеличиться. При к.з. x_p в двух схемах, выраженное в Ом – одинаково. В нормальном режиме групповой реактор создаст большую потерю напряжения, так как через групповой реактор протекает сумма токов, а через индивидуальный реактор – только свой ток. Но групповой реактор стоит дешевле, чем несколько индивидуальных реакторов.

У СР две обмотки расположены рядом. В зависимости от того как намотан провод, и как включается реактор – сопротивление обмоток может быть разное. Между ветвями есть магнитная связь, которая характеризуется коэффициентом магнитной связи k. Обычно коэффициент связи равен 0,4–0,6. Если токи в ветвях протекают в одном направлении – сопротивление каждой из обмоток снижается. Т.е. в нормальном режиме сопротивление небольшое.

При коротком замыкании, когда нет подпитки от второй ветви, сопротивление реактора увеличивается, т.к. отсутствует магнитная связь. Если есть подпитка – коэффициентом магнитной связи возрастает и увеличивается сопротивление.

Достоинством СР является то, что потери напряжения меньше, чем у обычного реактора. Поэтому в литературе его рекомендуют для снижения колебаний напряжения [2]. Но СР не всегда снижают колебания. Если учесть сопротивление сети, то существуют области в которых СР уменьшает или увеличивает колебания по сравнению с групповым или индивидуальным реактором – все зависит от нагрузок ветвей – зависимы они или нет, связь положительна и отрицательна. Поэтому применение СР необходимо обосновывать расчетом с использованием экспериментальных записей нагрузок ветвей.

Одним из основных параметров является индуктивное сопротивление Хр, равное отношению падения напряжения на реакторе Uр к фазному напряжению Uф при протекании по нему номинального тока. Индуктивное сопротивление выражается в процентах. Если пренебречь омическим сопротивлением реактора, то

1.3 Устройство реакторов

Для поддержания постоянства индуктивного сопротивления токоограничивающие реакторы выполняются без стальных сердечников. При этом они получаются больших размеров и массы. Реакторы со стальными сердечниками при равной индуктивности имели бы меньшие размеры. Однако у них при больших токах сердечники насыщаются, индуктивное сопротивление таких реакторов резко снижается и реакторы теряют свои токоограничивающие свойства как раз в тот момент, когда они необходимы. Ввиду этого реакторы со стальными сердечниками не получили распространения.

Получили распространение сдвоенные реакторы. Такой реактор питает два фидера. Катушки каждой фазы включены так, что создаваемые ими потоки направлены встречно. При номинальном токе индуктивность (следовательно, и потери напряжения) каждой из катушек снижается из-за размагничивающего действия другой. При равных токах и коэффициенте связи, стремящемся к единице, индуктивность реактора стремилась бы к нулю. Соответственно уменьшаются и потери напряжения. При коротком замыкании на одном из фидеров размагничивающим действием катушки другого фидера, обтекаемой номинальным током, можно пренебречь. Индуктивность и токоограничивающее действие сдвоенного реактора получаются такими же, как у одинарного.

На напряжения до 35 кВ и для внутренней установки почти исключительное распространение получили бетонные реакторы. Бетонный реактор (рис.1.4, а) выполняется в виде концентрически расположенных витков 1 из специального круглого изолированного многожильного провода, залитых в радиально расположенные бетонные колонки 2. Благодаря своей эластичности провод демпфирует термические и динамические усилия и тем самым частично снимает напряжения с бетона. Обмотки реактора на большие токи выполняются из нескольких параллельных проводов с транспозицией этих параллелей, обеспечивающей равномерное распределение токов.

Число колонок определяется диаметром намотки. Основная изоляция реактора — бетон, который проходит специальный технологический режим и выпускается с высокими механическими свойствами. Весь реактор после изготовления подвергается сушке, пропитке и покрытию влагостойкими лаками. Каждая колонка реактора устанавливается на опорные изоляторы 3, которые обеспечивают изоляцию от земли и между фазами. Фазы могут быть расположены вертикально (рис.1.4,6), а также горизонтально или ступенчато. Все металлические детали реактора выполняются из немагнитных материалов. При больших токах применяется искусственное охлаждение.

На напряжения свыше 35 кВ и для наружной установки используются масляные реакторы (рис.1.5). Обмотки 3 из медных проводников, изолированных кабельной бумагой, укладываются на изоляционные цилиндры 4 и размещаются в баках (баке) 2, заливаемых маслом. Концы обмотки каждой фазы выводятся через проходные изоляторы 1 наружу. Масло служит и как изолирующая, и как охлаждающая среда. Переменное поле катушек реактора, замыкающееся через стенки бака, может привести к чрезмерному нагреву этих стенок. Для снижения нагрева стенок (и масла) необходимо ограничить замыкающийся через них магнитный поток. Для этого служат электромагнитные экраны 5 или магнитные шунты [3]. Электромагнитный экран представляет собой медные (алюминиевые) короткозамкнутые витки, расположенные концентрично относительно обмотки реактора у стенок бака. Индуцируемые в витках токи создают в стенках бака поле, направленное встречно основному, и почти полностью его компенсируют. Нагрев стенок снижается. Магнитный шунт представляет собой пакеты листовой стали, укрепленные около стенок бака с внутренней его стороны и создающие искусственный магнитопровод с магнитным сопротивлением, значительно меньшим сопротивления стенок бака. Магнитный поток реактора замыкается по магнитному шунту, а не через стенки.

Рисунок 1.4 – Общий вид фазы бетонного реактора (а) и трехфазный комплект реактора (б)

Рисунок 1.5 – Общий вид фазы масляного реактора

Токоограничивающие реакторы выбирают по номинальным значениям тока, напряжения и индуктивного сопротивления, проверяют на термическую и электродинамическую стойкость при КЗ по условиям обеспечения требуемого уровня напряжения на шинах подстанции. Номинальные токи и индуктивные сопротивления сдвоенных реакторов приведены в ГОСТ 14794-79.

2. Математическое моделирование реакторов

2.1 Модель для действующих значений напряжения

Под моделью понимается математическое описание. Для краткости рассматриваем две группы электроприемников с электрическими нагрузками. Реакторы и сеть рассматриваются как элементы с сосредоточенными параметрами: активное r_p и индуктивное x_p сопротивления реактора, активное сопротивление r_c и индуктивность L_c сети. Потери напряжения и несимметрия определяются по действующим значениям прямой U_I и обратной U_II последовательности.

По условию ограничения токов КЗ сопротивления x_p реакторов одинаковы. В нормальном режиме сопротивление левой ветви сдвоенного реактора, по которой протекает ток I₁, уменьшается на значение k•x_p•I₂/I₁, определяемое коэффициентом k магнитной связи между обмотками. Во всех схемах на сопротивлении сети потери одинаковы и равны v3•X•(I₁+I₂). Неравномерность распределения нагрузок характеризуется коэффициентами неравномерности βc = I₂c/I₁c. Обозначив α = X/x_p, Vc = v3•x_p•I₁c, запишем выражения для средних значений потерь напряжения в расчетных точках для трех схем (рис.2.1, 2.2, 2.3):

Источник

Сдвоенные токоограничивающие реакторы

Стремление инженеров к удешевлению и упрощению, а также к уменьшению падения напряжения в номинальном режиме работы привело к появлению сдвоенных токоограничивающих реакторов.

На рисунке а) ниже показана схема, где каждая линия имеет свой токоограничивающий реактор, рассчитанный на номинальный ток линии. Каждая трехфазная группа реакторов имеет свою ячейку в распределительном устройстве.

На том же рисунке ниже б) показана схема со сдвоенным реактором. Между реакторами соседних ветвей существует сильная магнитная связь из-за их близкого расположения. Совмещение в одном токоограничивающем реакторе двух приводит к удешевлению и упрощению распределительного устройства (уменьшение габаритов аппарата в результате требуется только одна ячейка в распредустройстве для его размещения).

Магнитные поля реакторов в нормальном режиме работы направлены встречно. Это приводит к падению индуктивного сопротивления ветви, а виной сему – размагничивающее действие второй половины реактора. Как следствие – уменьшение падения напряжения на ветви реактора. При номинальном токе на ветви токоограничивающего реактора падение напряжения ΔU будет равно:

Х_р.в – сопротивление ветви реактора;

Х_М = ωМ – сопротивление взаимной индукции (М – коэффициент взаимной индуктивности);

L_р.в – индуктивность одной ветви;

k = М/L_р.в – коэффициент связи;

Падение напряжение будет уменьшаться с увеличением коэффициента связи k. При работе электроустановки в номинальном режиме желательно добиваться увеличения коэффициента k.

В случае короткого замыкания на одной из линий падение напряжения на реакторе, обтекаемом током поврежденной линии, будет определяться сопротивлением ветви реактора Хр.в. Влияние соседней ветви будет мало, так как по ней проходит номинальный ток и ее размагничивающее действие будет мало. Токоограничивающие реакторы нужно приблизить друг к другу для увеличения коэффициента связи. В случае одновременного короткого замыкания на обеих линиях, отходящих от реактора, возникнут большие электродинамические силы между ветвями реактора. Это связано с падением реактивного сопротивления в ветвях и близким их расположением.

В случае, если первая ветвь реактора разомкнута, а во второй протекает ток короткого замыкания, то в реакторе первой ветви наведется ЭДС, которая будет равна Е = I_н·k·X_р.в. Потенциал на отключенном выводе будет равен сумме напряжения сети и этой ЭДС.

Коэффициент связи берется в пределах от 0,3 до 0,5 для ограничения электродинамических сил и перенапряжений.

Основные параметры и конструкция сдвоенного реактора

При проведении исследований было доказано, что бетонные сдвоенные токоограничивающие реакторы разрушались при коротком замыкании в обеих ветвях без принятия специальных мер.

Большей электродинамической стойкостью обладает токоограничивающий реактор сборной конструкции (рисунок выше а)). Обмотка реактора укладывается на изоляционные прокладки 3. С помощью металлических стержней 1 и стержней из изоляционного материала 2 осуществляют стяжку токоограничивающего реактора. Давайте рассмотрим силы, которые действуют на витки (рисунок выше б).

Помеченные буквой н векторы обозначают силу взаимодействия нижней части реактора с витком. Помеченные буквой в векторы означают силу взаимодействия верхней части реактора с витком. Векторы без пометок – результирующая сила.

Сила отталкивания будет максимально действовать на ряды 4 и 5, которые расположены близко друг к другу. Направление действующих сил меняется по мере удаления рядов друг от друга (крайних рядов).

Для того, чтобы получить необходимую электродинамическую стойкость близлежащие ряды токоограничивающего реактора бандажируются прочной стеклянной лентой (рисунок выше в)).

К основным параметрам сдвоенного реактора относят:

Источник

Координация токов КЗ в современных энергосистемах

Методы ограничения токов короткого замыкания

Содержание

1. Координация токов КЗ в современных энергосистемах

3. Сдвоенные реакторы

Введение

Короткие замыкания возникают при нарушении изоляции электрических цепей. Причины таких нарушений различны: старение и вследствие этого пробой изоляции, набросы на провода линий электропередачи, обрывы проводов с падением на землю, механические повреждения изоляции кабельных линий при земляных работах, удары молнии в линии электропередачи и др.

Короткие замыкания, как правило, сопровождаются увеличением токов в поврежденных фазах до значений, превосходящих в несколько раз номинальные значения.

Протекание токов КЗ приводит к увеличению потерь электроэнергии в проводниках и контактах, что вызывает их повышенный нагрев. Нагрев может ускорить старение и разрушение изоляции, вызывать сваривание и выгорание контактов, потерю механической прочности шин и проводов и т.п. проводники и аппараты должны без повреждений переносить в течение заданного расчетного времени нагрев токами КЗ, т. е. должны быть термически стойкими.

Протекание токов КЗ сопровождается также значительными электродинамическими усилиями между проводниками. Для защиты токоведущих частей и их изоляции то разрушения принимаются необходимые меры.

Координация токов КЗ в современных энергосистемах

Рост генераторных мощностей современной энергосистем, создание мощных энергообъединений, увеличение мощностей нагрузок приводят с одной стороны, к росту электровооруженности и производительности труда, к повышению надежности и устойчивости электроснабжения, а с другой – к существенному повышению токов КЗ.

Максимальный уровень токов КЗ для сетей 35 кВ и выше ограничивается параметрами выключателей трансформаторов, проводников и других электрооборудований, условиями обеспечения устойчивости энергосистемы, а в сетях генераторного напряжения, в сетях собственных нужд и в распределительных сетях 3 – 20 кВ — параметрами электрических аппаратов и токопроводов, термической стойкостью кабелей, устойчивостью двигательной нагрузки.

Таким образом, уровень тока КЗ, повышающийся в процессе развития современной электроэнергетики, имеет в своем росте ряд ограничении, которые необходимо учитывать. Конечно, аппаратуру и электрические сети можно усилить в соответствии с новым уровнем токов КЗ, перс вести на более высокое напряжение, однако это в ряде случаев приводи к таким экономическим и техническим трудностям, что себя не оправдывает.

В настоящее время разработан комплекс мер, который позволяет регулировать уровни токов КЗ, ограничивать их при развитии электроустановок. Однако применение таких средств не является самоцелью и оправданно только после специального технико-экономического обоснования.

Наиболее распространенными и действенными способами ограничения токов КЗ являются: секционирование электрических сетей; установка токоограничивающих реакторов; широкое использование трансформаторов с расщепленными обмотками низшего напряжения.

Первый способ является эффективным средством, которое позволяет уменьшить уровни токов КЗ в реальных электрических сетях в 1,5 – 2 раза. Пример секционирования электроустановки с целью ограничения токов КЗ показан на рис. 1.1.

Когда выключатель QB включен, ток КЗ от генераторов G1 и G2 проходит непосредственно к месту повреждения и ограничен лишь сопротивлением генераторов и трансформаторов соответствующих энергоблоков.

Если выключатель QB отключен, в цепь КЗ дополнительно включается сопротивление линий. Ток КЗ от генераторов G1 и G2 при этом резко снижается по сравнению с предыдущим случаем.

Рис. 1.1. Распределение токов КЗ:

а—секционный выключатель включен; б—секционный выключатель отключен

Рис. 1.2. Совместная (а) и раздельная (б) работа трансформаторов на подстанции

В месте секционирования образуется так называемая точка деления сети. В мощной энергосистеме с большими токами КЗ таких точек может быть несколько.

Секционирование электрической сети обычно влечет за собой увеличение потерь электроэнергии в линиях электропередачи и трансформаторах в нормальном режиме работы, так как распределение потоков мощности при этом может быть неоптимальным. По этой причине решение о секционировании должно приниматься после специального технико-экономического обоснования.

В распределительных электрических сетях 10 кВ и ниже широко применяется раздельная работа секций шин, питающихся от различных трансформаторов подстанции (рис. 1.2). Основной причиной, определяющей такой режим работы, является требование снижения токов КЗ, хотя и в этом случае отказ от непосредственной параллельной работы трансформаторов имеет свои отрицательные последствия: разные уровни напряжения по секциям, неравномерная загрузка трансформаторов и т. п. При мощности понижающего трансформатора 25 МВА и выше применяют расщепление обмотки низшего напряжения на две, что позволяет увеличить сопротивление такого трансформатора в режиме КЗ примерно в 2 раза по сравнению с трансформатором без расщепления обмотки.

К специальным техническим средствам ограничения токов КЗ в первую очередь относятся токоограничивающие реакторы.

Реакторы

Реакторы служат для ограничения токов КЗ в мощных электроустановках, а также позволяют поддерживать на шинах определенный уровень напряжения при повреждениях за реакторами.

Основная область применения реакторов — электрические сети напряжением 6—10 кВ. Иногда токоограничивающие реакторы используются в установках 35 кВ и выше, а также при напряжении ниже 1000 В.

Реактор представляет собой индуктивную катушку, не имеющую сердечника из магнитного материала. Благодаря этому он обладает постоянным индуктивным сопротивлением, не зависящим от протекающего тока.

Схемы включения реакторов представлены на рис. 3.48.

Для мощных и ответственных линий может применяться индивидуальное реактирование (рис. 1.3, а). Когда через реактор питается группа линий (например, в системе собственных нужд), его называют групповым (рис. 1.3, 6). Реактор, включаемый между секциями распределительных устройств, называют секционным реактором (рис. 1.3, в).

Рис. 1.3. Схемы включения реакторов: а – индивидуальное реактирование; б – групповой реактор;

в – секционный реактор

Основным параметром реактора является его индуктивное сопротивление

x_р = ωL, Ом. В некоторых каталогах приводится

где I_ном — номинальный ток реактора, А; U_ном — номинальное напряжение реактора, В.

Поддержание более высокого уровня остаточного напряжения благоприятно сказывается на потребителях электроэнергии, питающихся от того же источника, что и поврежденная цепь. С учетом этого в режиме КЗ целесообразно иметь возможно большее значение индуктивного сопротивления х_р.

Однако по условиям работы электроустановки в нормальном режиме чрезмерно увеличивать сопротивление реактора нельзя из-за одновременного увеличения потери напряжения в реакторе при протекании рабочего пока. Особенно это заметно при использовании реакторов в качестве групповых и индивидуальных. Схемы реактированной линии и диаграммы, характеризующие распределения напряжений в нормальном режиме работы, приведены на рис. 3.50. На векторной диаграмме изображены: ₁ – фазное напряжение перед реактором, _р – фазное напряжение после реактора и – ток, проходящий по цепи.

Рис. 1.4. Ограничение тока КЗ и поддержание напряжения на шинах при помощи реакторов: напряжение на шинах при отсутствии (а) и наличии (б) реактора

Угол φ соответствует сдвигу фаз между напряжением после реактора и током. Угол Ψ между векторами ₁ и _p представляет собой дополнительный сдвиг фаз, вызванный индуктивным сопротивлением реактора. Если не учитывать активное сопротивление реактора, отрезок АС предмет собой падение напряжения в индуктивном сопротивлении реактора.

Рис1.5. Вариант схемы безынерционного токоограничивающего устройства

Рис 1.6. Нормальный режим работы цепи с реактором: а – схема цепи; б – диаграмма; в – векторная диаграмма

Рис.1.7. Фаза реактора серии РБ: 1 – обмотка реактора; 2 – бетонные колонны; 3 – опорные изоляторы

Алгебраическая разность напряжений до реактора и после него, т.е. отрезок AB, соответствует потере напряжения в реакторе. Опустив из точки C перпендикуляр на вектор ОВ и пренебрегая незначительным отрезком ВВ₁, можно считать потерей напряжения отрезок АВ₁. из треугольника АСВ₁ нетрудно вывести приближенное выражение для определения потери напряжения в реакторе. Потеря напряжения в реакторе при протекании тока I и заданном значении cos φ определяется из выражения

Допустимая потеря напряжения в реакторе обычно не превышает 1,5 – 2%.

Значительная потеря напряжения в нормальном режиме работы цепи не позволяет устанавливать индивидуальные и групповые реакторы большого сопротивления. Поэтому для случаев, когда требуются значительные ограничения тока КЗ, разрабатывают специальные более сложные устройства, так называемые БТУ – безынерционные токоограничивающие устройства.

На рис. 1.5 приведена схема простейшего БТУ, в состав которого входят: реактор с большим индуктивным сопротивлением, емкость, настроенная в резонанс с реактором так, чтобы результирующее сопротивление БТУ в нормальном режиме приближалось к минимально возможному. Параллельно емкости включена индуктивность в нормальном режиме с ненасыщенным ферромагнитным сердечником. Индуктивность в нормальном режиме имеет большое сопротивление, и ток через нее мал. При КЗ ток через емкость возрастает, увеличивается падение напряжения на ней, а следовательно, и напряжение на индуктивности. Последняя переходит в режим насыщения сердечника, резко уменьшает свое сопротивление и закорачивает емкость. Ток КЗ ограничивается нескомпенсированным в данном случае реактором. В стадии разработки находятся БТУ различных типов.

Ограничений по потере напряжения в нормальном режиме работы нет в случае секционного реактора, поэтому его сопротивление может быть взято существенно большим, чем в случае индивидуального или группового реактора. На случай режимов, отличных от нормального, может быть применено временное шунтирование реактора.

В настоящее время наибольшее распространение получили бетонные реакторы с алюминиевой обмоткой марки РБ.

Алюминиевые проводники обмотки реакторов покрываются несколькими слоями кабельной бумаги и хлопчатобумажной оплеткой. Обмотка наматывается на специальный каркас, а затем в определенных местах заливается бетоном. Бетон образует колонны, которые закрепляют витки обмотки, предотвращая их смещение под действием собственной массы и электродинамических усилий при протекании токов КЗ. Изоляция реактора от заземленных конструкций, а при вертикальной установке и от соседних фаз осуществляется при помощи опорных фарфоровых изоляторов (рис. 1.7).

Бетонные реакторы выпускаются отечественной промышленностью на номинальные токи до 4000 A и изготавливаются для вертикальной, горизонтальной и ступенчатой установки (рис. 1.8).

В обмотках реактора при протекании по ним тока имеют место потери активной мощности, составляющие обычно 0,1 – 0,2% проходной мощности. При номинальном токе более 1000 A эти потери настолько значительны, что требуется выполнять искусственное охлаждение реактора (вентиляция камер).

Рис.1.8. Способы монтажа реакторов: а – вертикальный монтаж; б – ступенчатый; в – горизонтальная установка фаз

Сдвоенные реакторы

Наряду с рассмотренными выше реакторами обычной конструкции в электроустановках находят применение сдвоенные реакторы. Конструктивно они подобны обычным реакторам, но от средней точки обмотки имеется дополнительный вывод. В случае применения сдвоенных реакторов источник может быть присоединен к средней точке, а потребители — к крайним, или наоборот (рис. 1.9).

Преимуществом сдвоенного реактора является то, что в зависимости от схемы включения и направления токов в обмотках индуктивное сопротивление его может увеличиваться или уменьшаться. Это свойство сдвоенного реактора обычно используется для уменьшения падения напряжения в нормальном режиме и ограничения токов при КЗ.

Ветви реактора выполняют на одинаковый номинальный ток I_ном, а средний вывод — на удвоенный номинальный ток ветви 2I_ном. За номинальное сопротивление сдвоенного реактора принимают сопротивление ветви обмотки при отсутствии тока в другой ветви: x_p = x_в = ωL

где L— индуктивность ветви реактора (индуктивности ветвей в реакторе обычно равны между собой).

Особенности сдвоенного реактора определяются наличием магнитной связи между ветвями каждой фазы (взаимной индуктивности М). С учетом взаимной индуктивности потеря напряжения в ветви реактора при подключении источника к средней точке (рис. 1.9) определится как

Отсюда видно, что за счет взаимной индуктивности потеря напряжения в сдвоенном реакторе меньше, чем в случае обычного реактора с таким же индуктивным сопротивлением. Это обстоятельство позволяет эффективно использовать сдвоенный реактор в качестве группового.

В процессе эксплуатации целесообразно стремиться к равномерной загрузке ветвей (I₁ = I₂ = I). Тогда для каждой из них будут созданы одинаковые условия

∆U_p = (IωL – IωM) sin φ = IωL(1 – k_св) sin φ,

Рис. 1.9. Сдвоенный реактор: а – б – схемы включения; в – электрическая схема

Рис. 1.10. Работа сдвоенного реактора в режиме КЗ: а – при одном генераторе; б – при двух генераторах

Рис. 1.11. Схема замещения сдвоенного реактора для расчета токов КЗ, где k_св = M/L— коэффициент связи обмоток реактора. Обычно выполняют реактор с k_св = 0,4 ÷ 0,6.

Если x_в = ωL, то в соответствии с (3.95) можно записать соотношение x’_в = x_в(1 – k_св), где x’_в — индуктивное сопротивление ветви реактора с учетом взаимной индукции. При k_св = 0,5 и соответственно сопротивлении x_в = 0,5x_в следует, что потеря напряжения в сдвоенном реакторе при указанных выше условиях получается вдвое меньше по сравнению с обычным реактором.

При КЗ за одной из ветвей реактора (рис. 1.10) ток в ней значительно превышает ток в неповрежденной ветви. Относительное влияние взаимной индуктивности уменьшается и потеря напряжения в реакторе, а также эффект токоограничення определяются в основном лишь собственным индуктивным сопротивлением ветви x_в = ωL. Таким образом, сопротивление реактора в режиме КЗ возрастает при k_в = 0,5 примерно в 2 раза по сравнению с нормальным режимом.

При использовании сдвоенного реактора по схеме рис. 1.10,6 выявляется дополнительное его свойство. При КЗ на выводах генератора G2 ток от генератора G1 протекает по ветвям в одном направлении. Взаимная индуктивность ветвей действует здесь согласно с собственной индуктивностью обмоток, и сквозное сопротивление реактора будет равно:

При k_св≈0,5 x_{с к в} = 3x_в, обеспечивая значительный токоограничивающий эффект.

При расчете токов КЗ сдвоенный реактор представляют трехлучевой схемой замещения, показанной на рис. 1.11.

В электроустановках находят широкое применение сдвоенные бетонные реакторы с алюминиевой обмоткой для внутренней и наружной установки типа РБС.

Выбор реакторов

Реакторы выбирают по номинальным напряжению, току и индуктивному сопротивлению.

Номинальное напряжение выбирают в соответствии с номинальным напряжением установки. При этом предполагается, что реакторы должны длительно выдерживать максимальные рабочие напряжения, которые могут иметь место в процессе эксплуатации. Допускается использование реакторов в электроустановках с номинальным напряжением, меньшим номинального напряжения реакторов.

Номинальный ток реактора (ветви сдвоенного реактора) не должен быть меньше максимального длительного тока нагрузки цепи, в которую он включен:

Для шинных (секционных) реакторов номинальный ток подбирается в зависимости от схемы их включения. Например, для случая, показанного на рис. 3.11, номинальный ток реактора определится из соотношении

где I_{ном, г} – номинальный ток генератора.

Индуктивное сопротивление реактора определяют, исходя из условий ограничения тока КЗ до заданного уровня. В большинстве случаев уровень ограничения тока КЗ определяется по коммутационной способности выключателей, намечаемых к установке или установление в данной точке сети.

Как правило, первоначально известно начальное значение периодического тока КЗ I_{п, o}, которое с помощью реактора необходимо уменьшить до требуемого уровня.

Рассмотрим порядок определения сопротивления индивидуального реактора. Требуется ограничить ток КЗ так, чтобы можно было в данной цепи установить выключатель с номинальным током отключения Iном, (действующее значение периодической составляющей тока отключения)

По значению I_{ном, отк} определяется начальное значение периодической составляющей тока КЗ, при котором обеспечивается коммутационная способность выключателя. Для упрощения обычно принимают I_{п, 0, треб} = I_{ном, отк}

Результирующее сопротивление, Ом, цепи КЗ до установки реактора можно определить по выражению

Требуемое сопротивление цепи КЗ для обеспечения I_{п, 0}, _треб

Разность полученных значений сопротивлений даст требуемое сопротивление реактора

Далее по каталожным и справочным материалам выбирают тип реактора с ближайшим большим индуктивным сопротивлением.

Сопротивление секционного реактора выбирается из условий наиболее эффективного ограничения токов КЗ при замыкании на одной секции. Обычно оно принимается таким, что падение напряжения на реакторе при протекании по нему номинального тока достигает 0,08 – 0,12 номинального напряжения, т. е.

В нормальных же условиях длительной работы ток и потери напряжения в секционных реакторах значительно ниже.

Фактическое значение тока при КЗ за реактором определяется следующим образом. Вычисляется значение результирующего сопротивления цепи КЗ с учетом реактора

а затем определяется начальное значение периодической составляющей тока КЗ:

Аналогично выбирается сопротивление групповых и сдвоенных реакторов. В последнем случае определяют сопротивление ветви сдвоенного реактора x_р = x_в.

Выбранный реактор следует проверить на электродинамическую и термическую стойкость при протекании через него тока КЗ.

Электродинамическая стойкость реактора гарантируется при соблюдении следующего условия:

где і_y (3) – ударный ток при трехфазном КЗ за реактором; i_дин – ток электродинамической стойкости реактора, т. е. максимальный ток (амплитудное значение), при котором не наблюдается остаточной деформации обмоток (иногда в каталогах этот ток обозначается как i_max).

Термическая стойкость реактора характеризуется заводом-изготовителем величиной t_тер — временем термической стойкости и среднеквадратичным током термической стойкости I_тер = iдин/2,54. Поэтому условие термической стойкости реактора имеет вид:

где В_к – расчетный импульс квадратичного тока при КЗ за реактором.

При соблюдении указанного условия нагрев обмотки реактора при КЗ не будет превышать допустимого значения.

В ряде случаев необходимо определить уровень остаточного напряжения на шинах при КЗ непосредственно за реактором. Для этой цели можно воспользоваться выражением с учетом того, что в режиме КЗ sin φ_к ≈ 1. Тогда выражение для определения остаточного напряжения на шинах примет вид:

Значение U_ост по условиям работы потребителей должно быть не менее 65 – 70%.

Заключение

Для обеспечения надежной работы энергосистем и предотвращения повреждений оборудования при КЗ необходимо быстро отключать поврежденный участок. К мерам, уменьшающим опасность развития аварий, относится также правильный выбор аппаратов по условиям КЗ, применение токоограничивающих устройств, выбор рациональной схемы сети и т. п.

Для осуществления указанных мероприятий необходимо уметь определять ток КЗ и характер его изменения во времени.

Список литературы

1. Рожкова Л.Д., Карнеева Л.К., Чиркова Т.В., «Электрооборудование электрических станций и подстанций», 5-е издание, М.: 2008.

2. Маргулова Т. Х. «Атомные электрические станции», М.: 2002.

3. Синдеев Ю.Г., Грановский В.Г. Электротехника. Учебник для студентов педагогических и технических вузов. Ростов-на-Дону: «Феникс», 1999.

4. Лихачев В.Л. Электротехника. Справочник. Том 1./В.Л. Лихачев. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003.

5. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений: Учебник. – 4-е изд., испр. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.

Источник